基于ABAQUS 的銷軸聯(lián)接的三維有限元分析

楊家軍 王建波 張盛華

(1．領(lǐng)新(南通)重工有限公司，江蘇 南通 226017;2．南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

0 引言

銷軸連接常用于兩個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接，以滿足構(gòu)件之間相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的需要。銷軸連接也是挖泥船維修吊機(jī)臂架系統(tǒng)中主要的連接方式之一［1］。工程上，各構(gòu)件端頭或其他連接部位會(huì)預(yù)留有耳板，采用銷軸將一側(cè)耳板與另一側(cè)耳板連接起來(lái)，銷軸與耳板之間可以發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，相互之間的載荷通過(guò)銷軸和耳板的接觸面來(lái)傳遞。因此，銷軸聯(lián)接的應(yīng)力與應(yīng)變狀況直接影響整機(jī)的運(yùn)行安全性、可靠性及疲勞強(qiáng)度。由于工況的多變，銷軸連接處受力形式復(fù)雜，僅用傳統(tǒng)的力學(xué)方法很難求解，且計(jì)算復(fù)雜，計(jì)算精度較低，用有限元法進(jìn)行相關(guān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析，不僅準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)、高效，又能得出構(gòu)件在各種工況下的應(yīng)力分布情況。本文采用ABAQUS軟件，針對(duì)挖泥船維修吊機(jī)四種最不利工況，建立了吊機(jī)的整體模型，通過(guò)局部細(xì)化網(wǎng)格，重點(diǎn)分析銷軸及耳板處的受力情況［2］，軸桿與耳板的連接采用接觸分析來(lái)實(shí)現(xiàn)有限元仿真，對(duì)各臂的頭部、根部、中樞連接銷軸分別進(jìn)行了力學(xué)分析，同時(shí)也對(duì)耳板連接部進(jìn)行了強(qiáng)度的校核。

1 工程概況

挖泥船維修吊機(jī)的主要部件有中樞、主臂架、副臂架(折疊臂)、鉸盤、滑輪、下油缸臂和上油缸臂等，其中主臂架自重為7．55 t，副臂架自重為4．87 t，中樞自重為2．62 t。其有限元模型見(jiàn)圖1。

圖1 挖泥船維修吊機(jī)有限元模型

為適應(yīng)實(shí)際作業(yè)的需要，挖泥船維修吊機(jī)實(shí)際工作時(shí)會(huì)有很多工況。主要體現(xiàn)在主臂架相對(duì)中樞的夾角不同、副臂架相對(duì)主臂架的夾角不同上，其中兩者之間的夾角變化通過(guò)油缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般情況下，按起吊半徑和重量只需選取四種典型工況進(jìn)行計(jì)算。工況一:6 m-15 t;工況二:10 m-15 t;工況三:23．4m-4 t;工況四:26．7 m-4 t。

2 幾何模型的建立

首先采用CAD軟件進(jìn)行了挖泥船維修吊機(jī)的三維幾何模型，再根據(jù)設(shè)計(jì)實(shí)際情況，對(duì)模型進(jìn)行了幾何簡(jiǎn)化處理。最后將三維線框模型導(dǎo)入ABAQUS軟件進(jìn)行有限元建模。

3 有限元模型的建立和處理

3．1 有限元模型的建立

根據(jù)吊臂結(jié)構(gòu)和有限元建模的特點(diǎn)，采用實(shí)體單元、板單元、桿單元來(lái)模擬。上下油缸臂采用的是直徑0．14 m的實(shí)心圓桿，中樞、主、副臂架主體采用板單元結(jié)構(gòu)。除油缸外的鉸接部分外，其余鉸接部位采用接觸單元處理，因而對(duì)于鉸點(diǎn)軸桿、中樞—主臂架鉸點(diǎn)處、主臂架—副臂架鉸點(diǎn)處，采用實(shí)體單元建模。

3．2 載荷及邊界條件處理

各部件所用鋼材為Q345鋼。相應(yīng)材料參數(shù)為:彈性模量:E=2．06 ×1011Pa;泊松比:μ =0．3;密度 ρ=7 850 kg/m3。重力加速度為g=10 m/s2。計(jì)算載荷包括:結(jié)構(gòu)自重、起吊重量、試驗(yàn)載荷系數(shù)(取K=1．2)。荷載組合為:結(jié)構(gòu)自重+起吊重量×試驗(yàn)荷載系數(shù)。計(jì)算時(shí)未考慮起吊過(guò)程中的動(dòng)力響應(yīng)。鉸車和吊點(diǎn)取其受力點(diǎn)為有限元節(jié)點(diǎn)，與相應(yīng)吊臂處耦合并施加荷載。上下油缸臂采用桿單元模擬，與支座處的臂架支座位置耦合。支座底部都采取全部約束，起吊重量施加在耦合節(jié)點(diǎn)上。

3．3 ABAQUS簡(jiǎn)介及接觸部分說(shuō)明

ABAQUS是應(yīng)用廣泛的有限元軟件，其主要優(yōu)點(diǎn)是具有強(qiáng)大的非線性分析功能［3，4］。ABAQUS能夠自動(dòng)選擇合適的載荷增量和收斂準(zhǔn)則并在分析過(guò)程中不斷調(diào)整這些參數(shù)值，以確保獲得精確結(jié)果。

在ABAQUS/Standard分析中定義接觸時(shí)，可以選擇點(diǎn)對(duì)面離散方法和面對(duì)面離散方法。面對(duì)面離散方法會(huì)為整個(gè)從面建立接觸條件，在接觸分析過(guò)程中同時(shí)考慮主面和從面的形狀變化?？赡茉谀承┕?jié)點(diǎn)上出現(xiàn)穿透現(xiàn)象，但程度不會(huì)很嚴(yán)重。

銷軸和耳板的接觸是圓柱外表面和圓環(huán)內(nèi)表面的接觸，在創(chuàng)建接觸屬性的過(guò)程中，在切向特性欄內(nèi)選擇摩擦，在“Friction coefficient”摩擦系數(shù)欄內(nèi)填0．01，在“Normal Behavior”法向特性欄內(nèi)選擇“Hard Contact”硬接觸。約束銷軸的軸向位移［5］。

4 計(jì)算結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)吊臂有限元模型的加載計(jì)算，得到四種工況下有限元應(yīng)力云圖，重點(diǎn)給出工況四的Mises應(yīng)力云圖(見(jiàn)圖2)，其他工況的分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 四種工況下各構(gòu)件銷軸處的M ises應(yīng)力值 MPa

從表1的分析結(jié)果來(lái)看，吊機(jī)銷軸連接處的應(yīng)力水平整體不高。其中工況二、工況三在中樞耳板處出現(xiàn)了相對(duì)較大的應(yīng)力，工況三、工況四在尾部耳板處的應(yīng)力明顯高于其他工況，但都遠(yuǎn)低于材料的允許應(yīng)力值。在四種工況下，上油缸臂上鉸點(diǎn)處最大應(yīng)力不是出現(xiàn)在油缸臂頂部，而是出現(xiàn)在鉸接耳板與副臂架主體過(guò)渡的地方(見(jiàn)圖3)，應(yīng)力值的大小一方面和過(guò)渡圓角有關(guān)，同時(shí)也和此處的焊接質(zhì)量密切相關(guān)，實(shí)際工程中應(yīng)引起足夠重視。

圖2 工況四下臂架耳板處M ises應(yīng)力云圖

圖3 上油缸臂上鉸點(diǎn)處M ises應(yīng)力云圖

5 結(jié)語(yǔ)

1)采用非線性有限元法，較為準(zhǔn)確的描述了挖泥船維修吊機(jī)中樞、臂架銷軸連接處的應(yīng)力分布狀況。不同工況下耳板及軸桿的應(yīng)力值都不大，說(shuō)明耳板和軸桿的設(shè)計(jì)是合理的。2)在挖泥船維修吊機(jī)耳板內(nèi)環(huán)、臂架頭部和臂架主體連接的地方會(huì)存在應(yīng)力集中情況，為延長(zhǎng)使用壽命和提高安全儲(chǔ)備，應(yīng)對(duì)這些部位進(jìn)行結(jié)構(gòu)或工藝處理。3)挖泥船維修吊機(jī)耳板前端軸孔處的應(yīng)力要明顯高于耳板根部，是構(gòu)件破壞最先發(fā)生的部位。

［1］李娜娜，石現(xiàn)峰，許宏偉．銷連接受力特征的數(shù)值仿真［J］．石家莊鐵道學(xué)院學(xué)報(bào)，2007，20(4):104-107．

［2］顏東煌，劉雪峰．銷軸連接結(jié)構(gòu)的接觸應(yīng)力分析［J］．工程力學(xué)，2008，25(1):229-233．

［3］莊 茁．基于ABAQUS的有限元分析和應(yīng)用［M］．北京:清華大學(xué)出版社，2009．

［4］周芝庭，馮建芬，谷春笑．基于ABAQUS的有限元螺栓接頭的接觸有限元分析［J］．金陵科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，24(4):9-12．

［5］蔣友寶，馮 健，孟少平．銷接節(jié)點(diǎn)考慮接觸特性的設(shè)計(jì)討論［J］．公路交通科技，2006，23(9):76-80．